第4章 (恒定磁场)(1)

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1、理学院物理系陈强电磁学第四章恒定磁场1理学院邓胜华第4章恒定磁场§4-1.Oersted实验§4-2.Biot-Savart定律§4-3.磁场的Gauss定理§4-4.Ampère环路定理§4-5.Ampère定律§4-6.Lorentz力2理学院邓胜华§4-1.奥斯特实验§4-1.奥斯特实验•奥斯特实验及其意义•相关实验•研究课题3理学院邓胜华§4-1.奥斯特实验奥斯特实验及其意义•19世纪20年代前，磁和电是独立发展的•奥斯特,丹麦物理学家HansChristianOersted深受康德哲学关于“自然力”统一观点的影响，试图找

2、出电、磁之间的关系4理学院邓胜华§4-1.奥斯特实验奥斯特实验•1820年7月看演示实验5理学院邓胜华§4-1.奥斯特实验奥斯特实验表明•长直载流导线使与之平行放置的磁针受力偏转——电流的磁效应•磁针是在水平面内偏转的——横向力•突破了非接触物体之间只存在有心力的观念——拓宽了作用力的类型6理学院邓胜华§4-1.奥斯特实验意义•揭示了电现象与磁现象的联系•宣告电磁学作为一个统一学科诞生•历史性的突破•此后迎来了电磁学蓬勃发展的高潮7理学院邓胜华§4-1.奥斯特实验评价•Ampere写道：“Oerster先生……已经永远把他的名字和

3、一个新纪元联系在一起了”．•Faraday评论说：“它突然打开了科学中一个一直是黑暗的领域的大门，使其充满光明”．8理学院邓胜华§4-1.奥斯特实验相关实验•9.18Ampere圆电流对磁针作用•9.25Ampere平行电流对磁针作用•9.25Arago钢片被电流磁化9理学院邓胜华§4-1.奥斯特实验磁铁对电流的作用Ampere通电导线受马蹄形磁铁作用而运动10理学院邓胜华§4-1.奥斯特实验Ampere螺线管与磁铁相互作用时显示出N极和S极11理学院邓胜华§4-1.奥斯特实验确定载流螺线管极性实验表明载流螺线管相当于磁棒，螺线管

4、的极性与电流成右手螺旋关系12理学院邓胜华§4-1.奥斯特实验一系列实验表明磁铁————磁铁电流————电流都存在相互作用13理学院邓胜华§4-1.奥斯特实验爱因斯坦指出：•―提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个数学上或实验上的技能而已，而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想像力，而且标志着科学的真正进步。”14理学院邓胜华§4-1.奥斯特实验研究课题•毕奥－萨筏尔的研究课题•§4-2毕奥－萨筏尔定律•安培的研究课题•§4-4安培定律•电流产生磁的逆效应•将导致电

5、磁感应现象的发现(Chap.6)•电、磁相互作用的传递问题•将导致电磁场理论的建立(Chap.8)15理学院邓胜华§4-2.Biot-Savart定律§4-2.Biot-Savart定律毕奥－萨筏尔的研究课题•寻找电流元对磁极作用力的定量规律•认为电流对磁极的作用力是自然界基本力•受Oester横向力的影响，认为每一个电流元对磁极的作用力也垂直于导线与磁极构成的平面•困难是无孤立的电流元16理学院邓胜华§4-2.Biot-Savart定律关键是找到几何关系把电流分割成许多电流元dfIdl还与几何因素如r,有关即解决了电流产生

6、磁场的规律17理学院邓胜华§4-2.Biot-Savart定律毕奥－萨筏尔定律：•Biot和Savart通过设计实验研究电流对磁极的作用力•在Laplace的帮助下，得出B-S定律（早于安培）磁感应强度BI•电场E:定量描述电场分布dl•磁场B:定量描述磁场分布r0dBrIdlP取电流元l,d的方向:沿电流方向2Idlr与Idl、sin成正比，与r成反比0dB34rdBdl,r构成的平面18理学院邓胜华§4-2.Biot-Savart定律Biot首先重复Oester实验•实验一：测量长直载流导线对单位

7、磁极的作用力•装置：如图，沿圆盘径向，对称放置一对相同的磁棒。11若H力矩为rH若H不H1r1H2r2rr每根磁棒r1两极受合H1r1C总合力矩不为零，圆盘应转r力矩为零，1圆盘静止r实验结果：示零——单位磁2H2r2CIr2极受到的作用Hr19理学院邓胜华§4-2.Biot-Savart定律•实验二：•设计实验：–磁极所受作用力的方向垂直于折线与磁极构成的平面0,H0,HHmax最大2,H0.414Hmax0.414tan2230'tan42I结论：Hktan折折r2

8、20理学院邓胜华§4-2.Biot-Savart定律电流元对磁极的作用力的表达式•由实验证实电流元对磁极的作用力是横向力•整个电流对磁极的作用是这些电流元对磁极横向力的叠加•由对称性，上述折线实验结果中，折线的一支对磁极的作用力的贡献是H的一半折I